智能家居中電動(dòng)窗簾的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李小為+張健

摘要：隨著時(shí)代的發(fā)展，科學(xué)的進(jìn)步，智能化的家居也越來越受到歡迎?；赟TC89C52單片機(jī)采用光控技術(shù)和人工控制技術(shù)設(shè)計(jì)一款智能窗簾系統(tǒng)，用步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)模擬窗簾的開關(guān)，有光的情況下接受到光信號，窗簾自動(dòng)打開，在沒有光的情況下，窗簾自動(dòng)關(guān)閉。

關(guān)鍵詞：智能窗簾；單片機(jī)；光控技術(shù)

中圖分類號：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1009-3044（2018）02-0161-03

Design and Implementation of Electric Curtain in Smart Home

LI Xiao-wei， ZHANG Jian

（School of Computer Engineering， Anhui Sanlian University， Hefei 230001， China）

Abstract： With the development of the times， the progress of science， intelligent home is also more and more popular. STC89C52 microcontroller design of a smart curtain system using optical technology and artificial control technology Based on switch rotation simulation curtain of stepper motor， the light of the circumstances to receive light signal， the curtains open automatically， in the absence of light， the curtains shut down automatically.

Key words： intelligent curtain； SCM； light control technology

1 概述

自改革開放以后，各行各業(yè)迅速發(fā)展，而科學(xué)技術(shù)的發(fā)展尤為突出，人們不再滿足于簡單的物質(zhì)生活，而是更加追求生活的舒適和便捷，智能家居具有高精度，多功能，低功耗的特點(diǎn)，開始慢慢走進(jìn)人們的生活，市場上也開始出現(xiàn)越來越多的智能家居產(chǎn)品。雖然從目前國內(nèi)看智能家居比較昂貴，未能普及，但是隨著科技發(fā)展的日新月異，智能家居技術(shù)會(huì)越來越成熟，成本將越來越低，不久的將來，終將走進(jìn)尋常百姓家。

2 主要元器件

2.1 主控芯片

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，必須具有價(jià)格低，低功耗，功能強(qiáng)大，使用方便，速度快等優(yōu)勢。所以我們決定使用STC89C52作為處理器的芯片。

STC89C52芯片介紹：

STC89C52是STC公司生產(chǎn)的一種具有高性能，低功耗，使用范圍廣的CMOS，8位微控制器，擁有8K在系統(tǒng)中可以編程的Flash 存儲(chǔ)器。STC89C52使用在經(jīng)過改良版本的經(jīng)典的MCS51內(nèi)核 ，因此在單片機(jī)上的STC89C52具有很多傳統(tǒng)芯片不具備的功能，使得在單片機(jī)上擁有8位CPU和在系統(tǒng)中可以編程Flash的STC89C52芯片在系統(tǒng)控制之中具有高靈活，高效率，快速度的解決問題能力，因此在智能方面的應(yīng)用非常廣泛。STC89C52的引腳圖和實(shí)物圖。

2.2 步進(jìn)電機(jī)

根據(jù)我們的研究內(nèi)容以及研究經(jīng)費(fèi)等多方面的因素影響，決定使用步進(jìn)電機(jī)來代替窗簾的開關(guān)，我們通過控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度來實(shí)現(xiàn)控制窗簾的目的。

工作原理：電機(jī)的轉(zhuǎn)子為永磁體，當(dāng)電流流過定子繞組時(shí)，定子繞組會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁場，磁場會(huì)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，使得磁場的方向和定子產(chǎn)生的磁場的方向一樣。每當(dāng)定子的磁場旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生一個(gè)角度，轉(zhuǎn)子也會(huì)跟著磁場旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，每次輸入一個(gè)脈沖，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，它輸出的角位移與輸入的脈沖的個(gè)數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速成正比，也就是說輸入的脈沖的個(gè)數(shù)越多，角位移越大，轉(zhuǎn)速越快。因此，我們可以通過控制脈沖的個(gè)數(shù)來控制進(jìn)步電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。且改變脈沖的順序可以改變轉(zhuǎn)動(dòng)的方向。

2.3 光敏電阻

因?yàn)楸敬窝芯啃枰獧z測光，綜合實(shí)驗(yàn)中的等等因素，所以元器件中便選擇了光敏電阻。光敏電阻又稱光敏電阻器或者是光導(dǎo)管，在特定的波長的光照下，它們的阻值都會(huì)迅速減少。通常光敏電阻器都制成薄片結(jié)構(gòu)，可以吸收更多的光能。光敏電阻器是由半導(dǎo)體的光電導(dǎo)效應(yīng)制成的一種電阻值，可以隨著光的強(qiáng)弱來改變的電阻器或者稱之為光導(dǎo)電探測器。它的光越強(qiáng)，電阻越小，光越弱，電阻越大。通常由光敏層，玻璃基片和電極等組成。

工作原理：在半導(dǎo)體光敏材料的兩端裝上電極引線，然后將它封裝在透明窗的管殼里構(gòu)成光敏電阻，兩電極通常做成梳狀，接出引線封裝在透明光鏡的密封殼內(nèi)。在照射光消失后，由光子產(chǎn)生的電子空穴對復(fù)合，光敏電阻的阻值慢慢恢復(fù)原值。在光敏電阻的兩端加上電壓，便有電流通過，受到光的照射，光的強(qiáng)度越強(qiáng)，電流越大，然后實(shí)現(xiàn)光電的轉(zhuǎn)換。

3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

3.1 智能控制方案

智能家居中窗簾控制系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)有電源部分，傳感器部分，處理器部分以及結(jié)果顯示部分。

當(dāng)然在設(shè)計(jì)智能家居中窗簾控制的時(shí)候，還需要考慮到實(shí)際的因素，比如在停電的情況下，智能窗簾無法感知外界情況就需要我們?nèi)藶槭謩?dòng)來打開或關(guān)閉。

在基于單片機(jī)的實(shí)驗(yàn)中，我們使用美國Keil software公司的軟件Keil，它是c語言軟件的開發(fā)系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)性，可讀性，可維護(hù)性，是一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真器。 Keil 是美國公司出品的兼容單片機(jī)c語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編語言相比，c語言在功能上，結(jié)構(gòu)性，可讀性，可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢。keil軟件提供庫函數(shù)和集成開發(fā)調(diào)試工具，生成目標(biāo)代碼效率非常高。在uVision和ishell集成開發(fā)環(huán)境下，可以完成編輯，編譯，連接，調(diào)試，仿真等整個(gè)開發(fā)流程。開發(fā)人員可用其他編輯器編寫c語言然后由編譯器生成.obj文件。endprint

3.2 硬件設(shè)計(jì)

1） 電源模塊

電源的功能是提供給電器一個(gè)穩(wěn)定的電壓。生活中我們常用電壓是220V，而我們實(shí)驗(yàn)的電壓不需要那么高，因此，需要設(shè)計(jì)一個(gè)相對穩(wěn)定且較低的電壓。

在接入不穩(wěn)定的電壓時(shí)，要想使得電壓穩(wěn)定而且使生活電壓變小，就必須要有二極管，電阻，電容，開關(guān)跟接地裝置，組成我們需要的符合我們要求的電路。二極管是一種把交流電換成單一方向的脈沖直流電，而且具有穩(wěn)壓性，在串入限流電阻，穩(wěn)壓管擊穿過后電流不超過允許值，所以擊穿狀態(tài)可以長期持續(xù)。在電路中接入一個(gè)開關(guān)來控制是否通電，另接入一個(gè)燈來顯示狀態(tài)，燈亮則為接通，可以工作，燈滅則斷開，處于靜止?fàn)顟B(tài)。一般芯片直接接直流穩(wěn)壓電源+5v，在保證單片機(jī)的系統(tǒng)能夠正常的工作，減少干擾，我們可以在電路上接入兩個(gè)電容來確保電路穩(wěn) 定，而在電路中接入一個(gè)1K的電阻是為了起到限流的作 用防止電流過大會(huì)給 整體帶來的損害。

2） 傳感器模塊

實(shí)驗(yàn)中，傳感器模塊是一個(gè)非常重要的模塊，需要它來檢測到光，轉(zhuǎn)換為信號，然后傳給主控芯片。在設(shè)計(jì)光照檢測電路的時(shí)候需要考慮到會(huì)產(chǎn)生耦合，而且會(huì)很容易產(chǎn)生振蕩，所以需要LM393芯片。而在設(shè)計(jì)電路中需要電阻，電容來使得電路中的電流達(dá)到允許范圍，電壓處于穩(wěn)定的狀態(tài)，最終使得電路能夠安全的運(yùn)行。電路中的電容c1，c2則是起到減少干擾的作用，電阻則是起到限流的作用，滑動(dòng)電阻則是起到保護(hù)電路的作用，當(dāng)光敏電阻在受到光的照射后，電阻變小，電流變大，超出范圍則會(huì)損壞電路，滑動(dòng)電阻器則可以改變電阻，控制電流，保護(hù)電路。

LM393是一種與很多的比較器一樣的高增益的寬頻帶器件[15]，當(dāng)比較器改變時(shí)，輸出端到輸入端有寄生電容在產(chǎn)生耦合，則非常容易發(fā)生振蕩。而LM393則可以有效地解決這個(gè)問題。LM393輸出負(fù)載電阻能接在任何電源電壓上，當(dāng)然是在可允許的范圍內(nèi)，不受電源端電壓值的限制，但是輸出的部分電流可能會(huì)被限制，當(dāng)達(dá)到極限電流時(shí)，輸出晶體管會(huì)退出，輸出電壓將很快上升，當(dāng)負(fù)載電流很小時(shí)，輸出晶體管的低失調(diào)電壓允許輸出在零電平。

3） 處理器模塊

控制系統(tǒng)電路如圖7所示，在STC89C52芯片作為主控芯片的情況下，需要一些電路來輔助完成任務(wù)。其中之一便是復(fù)位電路。復(fù)位我們都知道，就是將處于某個(gè)狀態(tài)的還原到它的初始狀態(tài)。而單片機(jī)的復(fù)位電路由上電復(fù)位和按鍵復(fù)位組成，上電復(fù)位在STC89C52作為主控芯片的情況下則為高電平復(fù)位，復(fù)位引腳一般在REST上外接電容到電源，在接一個(gè)電阻接地，實(shí)現(xiàn)復(fù)位。使得回到低電平進(jìn)入正常的工作狀態(tài)。按鍵復(fù)位，在復(fù)位的電容上并聯(lián)一個(gè)開關(guān)，當(dāng)開關(guān)按下時(shí)電容放電，RST拉到高電平，電容充電，會(huì)有一段高電平的時(shí)間來復(fù)位。其中之二便是晶振電路，每一個(gè)運(yùn)用到單片機(jī)的器件都是有時(shí)鐘頻率。使用STC89C52芯片中有振蕩源，單片機(jī)內(nèi)部帶有振蕩電路，因此就需要在外部連接一個(gè)晶振電路，電路由兩個(gè)電容和一個(gè)晶振組成，電容一般在15pf到50pf之間。

4） 顯示模塊

這次實(shí)驗(yàn)是將步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)作為最后的結(jié)果，在購買步進(jìn)電機(jī)的時(shí)候只需要將步進(jìn)電機(jī)按照接口接入電路中。在這個(gè)模塊中，使用到ULN2003APG作為驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。ULN2003APG是高耐壓，大電流達(dá)林頓陳列，內(nèi)部有消線圈反電動(dòng)勢二極管可以用來驅(qū)動(dòng)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 馮凱.智能家居的由來及其發(fā)展趨勢[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2010.

[2] 吳漢清.常用的典型單片機(jī)資料[J].無線電，2007.

[3] 徐國山.步進(jìn)電機(jī)的基本原理[J].民營科技，2007.

[4] 賀敬.基于MCGS的51系列單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)[J].山東工業(yè)技術(shù)，2015.

[5] 喬建良.智能光敏電阻檢測裝置研究與設(shè)計(jì)[M].南京理工大學(xué)出版社，2006.endprint